基于DSC和FPGA的运动控制卡设计.pdf

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1、２０１６年１月机床与液压Ｊａｎ?２０１６第４４卷第２期ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＶｏｌ?４４Ｎｏ?２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ?ｉｓｓｎ?１００１－３８８１?２０１６?０２?０４８基于ＤＳＣ和ＦＰＧＡ的运动控制卡设计张从鹏，刘同，赵康康（北方工业大学机电工程学院，北京１００１４４）摘要：针对四轴运动控制卡进行研究，设计了一种基于数字信号控制器ＤＳＣ和ＦＰＧＡ双核架构的四轴数字量和模拟量运动控制卡；开发了数字脉冲输出模块、模拟量模块、标志位模块、编码器接收模块及接口电路等硬件；基于开发的硬件系统，实现了运动控制粗精两级插补算法，粗插补采用数据采样算法，精插补

2、采用数字积分法，完成了控制卡软硬件调试。实验结果表明：控制卡实现了步进电机和伺服电机的多轴精确位置控制，性能稳定，可以满足多数工业场合应用。关键词：四轴运动控制卡；ＤＳＣ；ＦＰＧＡ；插补算法中图分类号：ＴＰ２３文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－３８８１（２０１６）２－１５６－３ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＢａｓｅｄｏｎＤＳＣａｎｄＦＰＧＡＺＨＡＮＧＣｏｎｇｐｅｎｇ，ＬＩＵＴｏｎｇ，ＺＨＡＯＫａｎｇｋａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇ

3、ｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｏｕｒ⁃ａｘｉｓｄｉｇｉｔａｌａｎｄａｎａｌｏｇｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＤＳＣ）ａｎｄＦＰＧＡｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎ⁃ｃｌｕｄｉｎｇｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｓｅｏｕｔｐｕｔｍｏｄｕｌｅ，ａｎａｌｏｇｍｏｄｕｌｅ，ｆｌａｇｍｏｄｕｌｅ，ｅｎｃｏｄｅｒｒｅｃｅｉｖｅｒｍｏｄｕｌｅａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌ⁃ｏｐｅｄｈａｒｄｗａｒｅ，ｃｏａｒｓｅａｎｄｆｉｎｅｔｗｏｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒ

4、ｉｔｈｍｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｓａｍｐｌｅ⁃ｄａｔａｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓｃｏａｒｓｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌｄｉｆｆｅｒ⁃ｅｎｔｉａｌａｎａｌｙｚｅｒｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓｆｉｎｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇｗｅｒｅａｌｓｏｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎ⁃ｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｕｌｔｉ⁃ａｘｉｓｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｔｏｓｔｅｐｐｅｒ／ｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒ，ｉ

5、ｔｃａｎｍｅｅｔｍｏｓｔｉｎ⁃ｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏｕｒ⁃ａｘｉｓｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＤＳＣ）；Ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）；Ｉｎｔｅｒｐｏｌａ⁃ｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ运动控制卡作为运动控制系统中的核心数据处理补、系统管理等功能，其上连接ＲＳ２３２接口、以太部件，是高性能运动控制的重要部件，对其性能的要网接口、ＵＳＢ接口、ＦＬＡＳＨ、ＥＥＰＲＯＭ等存储芯片求也越来越高。目前工业上应用的运动控制卡多采用等。ＦＰＧＡ负责数控精插补模块、

6、运动控制接口模ＤＳＰ或ｘ８６芯片作为主处理器，依靠其强大的数据处块，其中包括：脉冲接口，编码器接口，Ｉ／Ｏ接口，理能力实现系统管理和数据插补，造价高昂，运动控标志位及手轮接口等５个接口功能。运动控制卡硬件［１］结构如图１所示。制的实时性得不到保障。随着微电子技术的发展，以ＳＴＭ３２Ｆ４为代表的新一代处理器数字信号控制器（ＤＳＣ）应运而生。ＤＳＣ是一种集微控制器（ＭＣＵ）和数字信号处理器（ＤＳＰ）专长于一身的新型处理器，既集成了ＤＳＰ处理器的实时硬件算法，又具有ＭＣＵ接口丰富的优点，系统功耗低，十分适合电机［２－３］控制、电源转换和传感器处理等领域。作者面向工业应用，基于ＤＳ

7、Ｃ＋ＦＰＧＡ硬件架构，采用ＤＳＣ处理器ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６和ＦＰＧＡ芯片ＥＰ４ＣＥ１０Ｆ１７Ｃ８Ｎ设计新型运动控制卡，粗精两级插补实现运动控制，具有一定的现实意义。１运动控制卡结构运动控制卡采用ＤＳＣ＋ＦＰＧＡ双核心结构，利用了ＤＳＣ的控制器接口资源丰富和ＦＰＧＡ硬件可编程及并行处理特点。ＤＳＣ负责接口、通信、数控粗插图１运动控制卡的基本结构收稿日期：２０１４－１１－０３作者简介：张从鹏（１９７５—），男，博士，副教授，研究方向为数字化制造技术与装备。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏａｒｉｎｇｒｏｃ＠ｎｃｕｔ?ｅｄｕ?ｃｎ